能量收集参考设计：实现超低功耗无线传感

引言

在当今的电子设计领域，超低功耗和能量收集技术变得越来越重要。Silicon Labs的这份AN588能量收集参考设计用户指南为我们展示了一个典型的超低功耗无线传感器系统，它利用能量收集源供电，无需更换电池，具有很长的使用寿命和超薄的设计。本文将详细介绍这个参考设计的各个方面，包括套件内容、系统原理、硬件和软件设置以及演示操作等。

文件下载：ENERGY-HARVEST-RD.pdf

套件内容

该RF到USB参考设计包含以下物品：

• Si1012能量收集无线传感器节点
• EZRadioPRO® USB Dongle
• ToolStick Base Adapter
• 3英尺USB延长线

系统概述

设计目的

此参考设计旨在展示一个由能量收集源供电的超低功耗无线传感器。该应用适用于周期性唤醒以进行测量和传输结果的系统。由于采用能量收集源供电，系统在其生命周期（预期寿命超过15年或7000 mA - H）内无需更换电池，并且无线节点可以设计得非常薄（电池高度仅0.17 mm）。

系统组成

系统由两个主要组件构成：无线传感器节点和EZRadioPRO® USB Dongle。传感器节点使用Silicon Labs的Si1012无线MCU，而Dongle则使用Silicon Labs的C8051F342 MCU和Si4431无线电。

工作特性

传感器节点工作在919.84 MHz，由太阳能收集电源供电。当无线传感器节点不传输数据时，Si1012无线MCU可保持在低功耗状态，仅消耗50 nA电流。能量收集电源启用时的泄漏电流约为3 µA，但只要有50 lux的光照到太阳能电池上，就可以抵消该泄漏电流。这使得能量收集电源在黑暗环境（开关处于ON位置）下可为系统供电约7天，如果有周期性光源补充能量，则可无限期供电。系统在室内照明（200 lx）和室外照明（10,000 lx）条件下均可正常工作。

硬件概述

主要组件

传感器节点和USB Dongle的主要组件分别在图2和图3中标识。两个设备都预装了演示应用的固件。使用演示应用时，要确保无线板上的印刷天线不被用户手指覆盖。传感器节点出厂时处于放电状态，首次使用前需完全充电，具体充电时间可参考文档“8. 附加信息”部分。

USB Dongle供电

USB Dongle通过USB连接由PC供电，可直接连接到PC，无需安装自定义驱动，因为它基于HID。

软件设置

能量收集演示应用是为Windows操作系统设计的，作为无线开发套件（WDS）的一部分进行分发。可从以下网页下载WDS：http://www.silabs.com/MCUDownloads 。下载后，从zip文件中提取可执行文件并运行以安装无线开发环境，同时会在开始菜单的Silicon Laboratories文件夹下添加程序快捷方式。

能量收集演示

运行步骤

1. 确保软件已按照“4. 软件设置”部分安装，并且EZRadioPRO dongle已插入PC的USB端口。
2. 点击“开始”“所有程序”“Silicon Laboratories”“WDS3”启动程序。
3. 选择“Harvesting Demo”。
4. 通过屏幕菜单直到出现“Harvesting Demo Application”。
5. 将S2电源源开关置于“SOLAR”位置。传感器节点需要15到30秒从太阳能电池（最低200 lx）为100 µF电容器充电，然后使用存储的能量进行完整的POR。绿色LED闪烁3次表示传感器节点已上电；红色LED闪烁3次表示系统能量不足，需要充电；绿色和红色LED组合闪烁表示系统有足够能量启动，但存储能量水平低于最大容量的75%。
6. 在传感器节点上按下按钮，将MCU从睡眠模式唤醒。首次按下按钮时，传感器节点将尝试与EZRadioPRO USB Dongle关联，短的绿色或红色闪烁将指示关联是否成功。
7. 关联成功后，每次按下按钮时，传感器节点将传输电池电量和片上温度传感器的温度数据，并且每秒唤醒一次，持续3分钟，以传输太阳能电池处测量的光照水平。3分钟后，传感器节点将进入超低功耗睡眠模式，直到下一次按下按钮。如果系统电量高于75%，传感器节点每次唤醒并传输数据时绿色LED会闪烁；如果未收到USB Dongle的确认信号，传感器节点可能会闪烁红色LED。USB Dongle每次成功接收到有效数据包时绿色LED会闪烁。
8. 能量收集应用将第一个关联的传感器节点指定为Node 1，最多允许4个节点关联。覆盖太阳能电池或用手电筒照射它，可在应用中动态更新光照水平。按下按钮将更新温度和电池电量，并在传感器板进入超低功耗睡眠模式前额外增加一分钟。

数据显示

• Logic标签：显示连接节点的数量以及每个节点板的RSSI（接收信号强度指示器）。将发射节点板移离dongle时，接收信号强度应降低。对于完全充电的系统，近似范围为100 - 300英尺。如果节点板的能量降至75%以下，发射功率将降低以保存剩余电量。在这种低功率模式下，成功传输时绿色LED不会闪烁，但如果发射的数据包未得到dongle的确认，红色LED仍会闪烁。
• Packet标签：显示所有接收到的数据包列表。选择一个数据包将解码原始数据，并在VBAT、TEMP和LIGHT_LEVEL字段中显示提取的信息。
• NodeInfo标签：以文本格式显示最新传感器数据的摘要。

能量收集系统

系统组成

能量收集系统由三个组件组成：用于收集能量的能量管理电路、能量存储装置以及将存储的能量转换为无线传感器可用形式的能量管理电路。

能量收集电路

用于收集能量的能量管理电路包括提供直流能量的太阳能电池、可将交流振动能量转换为直流能量的整流器以及将直流能量调节到恒定4.1 V的LTC 4071。LTC4071还可保护电池免受过放电（当电池电压过低时将其从电路断开），并提供“运输模式”，在运输过程中断开电池连接，使其保持能量直到最终用户启动系统。

能量存储

能量存储使用的是IPS的4.1 V、700 µA - H薄膜电池。该电池提供足够的能量存储，可使系统在没有“收集”到能量的情况下运行许多天。在任何能量收集系统中，保持系统使用的能量低于“收集”到的能量非常重要，以防止存储能量的持续消耗。能量存储容量越大，系统在不从环境中“收集”新能量的情况下运行的时间就越长。

输出管理电路

能量存储输出端的能量管理电路将4.1 V薄膜电池电压转换为2.7 V稳压电源，供Si1012无线MCU使用。该电路的主要组件包括超低功耗LDO（ADP162）、欠压检测器（NCP302）和100 µF钽电容器，以提供RF传输所需的峰值电流。LDO的关断引脚连接到欠压检测器的输出，因此在100 µF电容器充电至至少3.0 V之前，系统不会上电，这确保了系统只有在有足够存储能量完成上电序列时才会尝试启动。

系统功耗

能量收集系统运行大约需要3 µA电流，只要50 lux的光照到太阳能电池上就可以轻松抵消该电流。能量收集系统在黑暗环境中可保持1周，直到所有存储能量耗尽。当系统要长时间放置在黑暗区域时，最好将S2开关置于“OFF”模式，这将激活“运输模式”，断开电池与系统的连接，使系统保持当前状态，直到S2开关置于“SOLAR”位置。

超低功耗无线传感器

Si1012特性

Si1012无线MCU用于此参考设计的传感和RF传输功能。在睡眠模式下，Si1012的供电电流约为50 nA。当使用按钮开关将MCU从睡眠模式唤醒时，它会使用片上温度传感器采样当前温度、薄膜电池的剩余电量以及太阳能电池处的环境光照量。每次按下按钮时，温度和剩余电量通过RF连接传输，光照水平每秒传输一次，持续3分钟。

功率消耗

Si1012的一个显著特点是其在睡眠和活动模式下的超低功耗。图9显示了活动模式（每秒进行一次RF数据包传输）的简化活动曲线。RF发射器启用时的峰值电流为29 mA，在三分钟时间间隔内的平均电流为51 µA（每秒1个数据包）。

无线通信

无线传感器节点使用基于EZMAC® PRO软件库的919.84 MHz RF链路。RF链路数据速率为128 kbps，采用GFSK调制（EZRadioPRO通道19），输出功率为+13 dB。当薄膜电池电量降至75%以下时，传感器节点将降低输出功率。传感器节点上的印刷天线设计在2层PCB上，以实现最低成本。使用印刷天线的预期范围为100 - 300英尺（视线范围内）。

附加信息

充电建议

如果电源选择开关处于“SOLAR”位置，并且能量收集节点板每天暴露在至少200 lx的光照下数小时，系统的总电量应永远不会低于75%。如果系统要在黑暗环境中存放几天（例如旅行时），最好将电源选择开关置于“OFF”位置，系统在该位置将无限期保持电量。如果系统能量耗尽，可通过插入ToolStick Base Adapter并将电源源开关设置为USB来快速充电（30分钟）。图10显示了在各种充电条件下完全耗尽系统的近似充电时间。

开发支持

能量收集节点板可用于Si1012的RF开发。套件中提供了允许连接到Silicon Laboratories IDE的ToolStick Base适配器。如需固件源代码或更多信息，请访问Silicon Laboratories网站的能量收集页面：http://www.silabs.com/Energy - Harvesting 。

总结

Silicon Labs的这个能量收集参考设计为电子工程师提供了一个优秀的范例，展示了如何实现超低功耗无线传感器系统。通过合理的硬件设计和能量管理，系统可以利用太阳能等环境能量实现长期稳定运行，减少了对电池的依赖。同时，详细的软件设置和演示操作说明也为开发者提供了便利。你在实际应用中是否遇到过类似的能量收集系统设计问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。